FR2866981A1 - Canons a cathodes froides - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un canon à électrons comprenant un réseau de cathodes froides (RK) et au moins un réseau de grilles d'extraction (g1) associé au réseau de cathodes. L'ensemble est destiné à émettre des électrons vers un système de grilles (G1, G2) d'accélération et de focalisation. Une grille à mailles (GM) est située entre la grille d'extraction (g1) et le système de grille. De plus, un dispositif d'induction de champ magnétique (MG) induit un champ magnétique colinéaire avec l'axe du canon à électrons dans la zone comprise entre ladite grille d'extraction (g1) et la grille à mailles (GM).Applications: Canons à électrons pour tubes à rayons cathodiques ou pour la microlithographie/

Description

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L'invention concerne une structure de canon à électrons comportant une cathode émettrice d'électrons à base d'émission de champ (ou cathode froide, par opposition aux cathodes chaudes de type thermoïonique).

On connaît dans la technique les cathodes froides réalisées sous forme de réseaux de microcathodes permettant d'émettre chacune un faisceau d'électrons. A chaque microcathode est associée une grille qui, portée à un potentiel convenable par rapport au potentiel de cathode, permet une extraction et une formation d'un faisceau d'électrons. Une telle cathode est désignée sous l'appellation BF-FEA pour "Beam Forming - Field Emission Array". Elle comporte donc une cathode froide en réseau qui, en plus de la partie émissive, intègre (par technologie de microcouches en métaux et isolants) une partie assurant la formation du faisceau.

Les fonctions d'une telle cathode organisée en réseau sont donc: a) d'émettre un faisceau d'électrons, au moyen 20 d'un réseau bidimensionnel de zones émissives élémentaires dont chacune inclut: - une pointe émissive (dans le cas de "microtips cathode" ou micro pointes), ou un élément de matériau à base de carbone, ou un autre type d'émetteur froid.

- une grille g1 dite grille de commande ou grille d'extraction, qui commande l'amplitude du courant d'électrons émis en appliquant le champ électrostatique d'extraction.

b) de former le faisceau d'électrons, c'est-à-dire maîtriser son angle de divergence pour qu'il reste modéré. Ainsi chaque zone émissive élémentaire de cathode froide émet un faisceau élémentaire d'électrons ("beamlet") qui s'étend sur un demi angle d'environ 10 à 30 . Cet angle de divergence relativement important constitue un inconvénient surtout lorsqu'on compare aux cathodes chaudes classiques qui émettent des faisceaux d'électrons présentant des demi angles de divergence de seulement 0,1 à 0,3 .

Le problème posé est donc de faire passer le demi angle d'environ 10 à 30 à environ 0,1 à 0,3 , tout en créant un point objet qui pourra être utilisé par une optique d'utilisation telle que la lentille principale dans un canon à électrons d'un tube à rayons cathodiques. Ce problème est rendu plus difficile par le fait que les électrons émis par une cathode froide ont une énergie de l'ordre de 100eV, à comparer à seulement 0,2eV dans le cas d'une cathode chaude classique.

On connaît dans la technique, différents moyens permettant de résoudre ce problème d'angle de divergence.

Par exemple, le brevet DE19534228 décrit une solution dans laquelle une triode est constituée avec la cathode froide (BF-FEA), une électrode S et une deuxième électrode, dans le but de créer un crossover. Un inconvénient est qu'une grande partie des électrons est refoulée vers la cathode froide.

Les brevets US5336973 et US5889359 décrivent des solutions dans lesquelles des moyens de collimation du faisceau sont à base d'électrodes en forme d'anneaux coplanaires de la cathode, et permettent de faire passer le demi angle de divergence de 30 à moins de 10 environ. Un inconvénient est que l'angle de divergence résultant est plus fort au centre du faisceau parce que l'angle est davantage réduit pour les électrons émis d'une zone proche de l'électrode collimatrice, comme expliqué dans la publication intitulée "Beam focusing for field-emission flat-panel displays" par W.Dawson Kesling et Charles Hunt parue dans IEEE Transactions on Electron Devices Vol 42 n 2 Feb1995. Hors, dans un canon à électrons, la lentille principale, ou lentille de sortie, a besoin que l'angle de divergence soit plus faible au centre du faisceau, notamment, dans un canon à électrons classique où l'angle de divergence est nul au centre et grandit avec la distance à l'axe du faisceau.

Le brevet FR2803431 décrit une solution dans laquelle des moyens de collimation du faisceau permettent de faire passer le demi angle de divergence de 30 à 3 environ, par une portion d'accélération électrostatique créée par une grille à mailles portée à 10KV environ. Un inconvénient est que cette grille intercepte une partie du faisceau et s'échauffe.

Le brevet W00106531 décrit une solution dans laquelle une "cup focusing lens" et une électrode de type Pierce permettent de faire passer le demi angle de divergence de quelques degrés à environ 0,2 . Un inconvénient est que l'angle de divergence résultant est plus fort au centre du faisceau.

La présente invention a pour objet d'éviter ces inconvénients, c'est-àdire d'obtenir: a) un angle de divergence qui, comme dans un canon à électrons classique, est nul au centre et grandit avec la distance à l'axe du faisceau.

b) un point objet (qui est soit un point de croisement "crossover" soit un point de resserrement "waist") que la lentille principale peut transformer en point image sur un écran tel que l'écran d'un tube à rayons cathodiques.

L'objet de l'invention concerne plus particulièrement la portion de canon située entre le réseau de cathodes froides et la lentille principale du canon. Le canon à électrons selon l'invention doit permettre de: a) de rendre compatibles le fort angle de divergence existant à la sortie du réseau de cathodes et le faible angle de divergence tolérable à l'entrée de la lentille principale.

b) de créer un point objet (soit "crossover" soit "waist") pour la lentille principale.

L'invention concerne donc un canon à électrons comprenant un réseau de cathodes froides et au moins un réseau de grilles d'extraction associé au réseau de cathodes. L'ensemble est situé selon un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe du canon à électrons et est destiné à émettre des électrons vers un système de grilles d'accélération et de focalisation. Le canon à électrons selon l'invention comporte en outre une grille à mailles située entre ladite grille d'extraction et le système de grille ou bien située selon le plan d'entrée dudit système de grilles. Le canon à électrons comporte aussi un dispositif d'induction de champ magnétique induisant un champ magnétique colinéaire avec l'axe du canon à électrons dans la zone comprise entre ladite grille d'extraction et la grille à mailles.

La grille à mailles est destinée à être portée à un potentiel inférieur au potentiel de la grille d'extraction, typiquement à un potentiel proche de ()Volt, afin que les électrons sortent des mailles avec une énergie proche de 0eV c'est-à-dire du même ordre que l'énergie 0,2eV avec laquelle les électrons sortent d'une cathode chaude, et le champ magnétique induit par le dispositif d'induction de champ magnétique est de même sens que le flux d'électrons émis par ledit réseau de cathodes. Ce champ magnétique a pour but, en combinaison avec le champ électrostatique ralentisseur créé entre la grille d'extraction et la grille à mailles, de collimater le faisceau d'électrons c'est-à-dire contrecarrer sa tendance naturelle à l'expansion causée par l'angle de divergence.

Selon une forme de réalisation, ladite grille à 20 mailles est de forme plane et son plan est perpendiculaire à l'axe du canon à électrons.

Selon une variante de réalisation, la grille à mailles est de forme convexe et sa face convexe est tournée vers ledit système de grilles d'accélération et de focalisation.

Alternativement, la face convexe de la grille à mailles peut être tournée vers le réseau de cathodes.

Par ailleurs, le système de grilles d'accélération et de focalisation peut comporter une première grille et une deuxième grille situées selon l'axe du canon à électrons, la première grille étant située entre la grille d'extraction et la deuxième grille. La grille à mailles est alors portée à un potentiel inférieur à celui de la deuxième grille, tandis que la première grille est portée à un potentiel inférieur à celui de la deuxième grille et inférieur à celui de la grille à mailles. Ainsi la grille à mailles, qui joue le rôle de la surface émissive d'une cathode chaude, forme avec la première grille et la deuxième grille une triode similaire à celle utilisée classiquement dans les canons-à-électrons dans la portion en amont de la lentille de focalisation.

L'invention concerne également une variante de réalisation dans laquelle la zone comprise entre le réseau de cathodes et la grille à mailles est entourée par au moins une paroi en matériau isolant. Cette paroi est parallèle à l'axe du canon à électrons et sa face interne qui est dirigée vers cet axe comporte une couche résistive dont une première extrémité située du côté du réseau de cathode est à un potentiel sensiblement égal à celui de la grille d'extraction (gl) et une deuxième extrémité située du côté de la grille à mailles est à un potentiel nettement inférieur.

Avantageusement, la première extrémité de la couche résistive est connectée à la grille d'extraction et la deuxième extrémité est connectée à la grille à mailles. Ainsi la couche résistive, en combinaison avec la grille d'extraction et la grille à mailles, permet de créer un champ électrostatique ralentisseur.

Selon une forme de réalisation, la couche 30 résistive a la forme d'un ruban spiralé en hélice, qui entoure la zone comprise entre le réseau de cathodes et la grille à mailles.

Avantageusement, la paroi qui entoure la zone comprise entre le réseau de cathodes et la grille à 5 mailles est en verre.

Les différents objets caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: -la figure 1, un exemple de réalisation du canon à électrons selon l'invention, - les figures 2a à 2c, des vues de détails permettant d'expliquer le fonctionnement du canon à électrons de la figure 1, - les figures 3a à 3d, différentes variantes de réalisation du canon à électrons selon l'invention, - les figures 4a à 4c, des schémas de fonctionnement des variantes de réalisation des figures 3a à 3d, - la figure 5, une variante de réalisation du canon à électrons selon l'invention.

En se reportant à la figure 1, on va donc décrire un exemple de réalisation d'un canon à électrons selon l'invention.

Ce canon à électrons comporte une partie émissive d'électrons qui comporte un réseau de microcathodes 20 25 froides RK qui a été représenté sur la figure sous la forme de cathodes à pointes. A ce réseau de cathodes est associé au moins un réseau de grilles d'extraction gl avec une grille par cathode. Un tel réseau de cathodes émet un faisceau d'électrons non représenté, qui subit le champ électrostatique ralentisseur EL.

Selon l'axe Z perpendiculaire au plan du réseau de cathodes est disposé une grille à mailles GM qui est un réseau de fils conducteurs connectés entre eux. Une telle grille à mailles est représentée en figure 2a. A titre d'exemple, les différents fils conducteurs sont espacés les uns des autres d'une distance el = e2 = 30nm, et la transparence de la grille à mailles est de 85%.

Les grilles G1 et G2 de formation du faisceau d'électrons et de focalisation sont également disposés selon l'axe Z. On trouve ensuite une lentille de sortie ML appelée également lentille principale ( Main Lens ) dans les canons à électrons des tubes à rayons cathodiques.

Par ailleurs, un dispositif d'induction d'un champ magnétique est disposé entre le réseau de cathodes et la grille à mailles. Par exemple, il peut s'agir d'une bobine d'induction de champ magnétique MG qui entoure la zone comprise entre le réseau de cathodes RK et la grille à mailles GM.

Le réseau de cathodes RK est donc destiné à émettre un faisceau d'électrons selon la direction Z et le dispositif d'induction de champ magnétique émet un champ magnétique B colinéaire avec la direction Z et de même sens que le faisceau d'électrons et que le champ EL.

Les différentes tensions de fonctionnement appliquées aux différents éléments du canon à électrons sont telles que: le potentiel de cathode, la VK, est sensiblement nul, le potentiel de la grille d'extraction Vgl est supérieur au potentiel de cathode (par exemple Vgl = 100 volts) le potentiel de la grille à mailles VGM est inférieur au potentiel Vgl de la grille d'extraction, par exemple VGM est sensiblement nul, le potentiel de la grille VG1 est inférieur au potentiel de grille à maille, par exemple VG = - 80V, le potentiel de la grille VG2 est supérieur au potentiel de grille VG1 et supérieur au potentiel de grille à mailles, par exemple VG2 = 300volts.

On va maintenant décrire le fonctionnement du canon à électrons de la figure 1.

Dans le canon de la figure 1, on peut distinguer une partie A comprise entre le réseau de cathode RK et la grille à mailles GM, et une partie B comprise entre la grille à mailles GM et la lentille principale ML.

On voit que dans la région A, on produit la superposition d'un champ électrostatique décélérateur et d'un champ magnétique axial. Ces deux champs sont colinéaires et sont essentiellement uniformes dans la région A. Typiquement le potentiel des électrons à l'émission est de l'ordre de 100V qui est une valeur 10 15 20 typique de sortie d'un réseau de microcathodes. Les électrons émis sont décélérés jusque vers zéro volts lorsqu'ils atteignent la grille à mailles qui marque la fin de la région A et le début de la région B. En effet la grille à mailles est portée à un potentiel d'environ zéro volt puisque le but de la région A est de décélérer les électrons jusqu'à une vitesse aussi faible que la vitesse avec laquelle les électrons sont émis d'une cathode chaude, soit 0,2eV environ.

Un électron émis par le réseau de cathodes, et quel que soit l'endroit du réseau d'où il est issu, suit une trajectoire hélicoïdale. Les figures 2b et 2c illustrent les trajectoires d'électrons dans la région A. Le rayon de l'hélice est constant et est égal à: R = vo/I1B, où: vo est la composante dans le plan (X,Y) de la vitesse de l'électron lorsqu'il est émis, - n=e/m (e charge de lUlectron, m masse de l'électron), - B est la valeur du champ magnétique supposé uniforme pour simplifier.

Le pas de l'hélice varie au fur et à mesure que l'électron parcourt sa trajectoire, ce pas diminue selon la formule Z= VZ t - i E t2 / 2, où: VZ est la composante perpendiculaire au plan (X,Y) de la vitesse de l'électron lorsqu'il est émis, t est la variable temps, E est la valeur du champ électrostatique supposé uniforme pour simplifier.

Pour collimater le faisceau c'est-à-dire le confiner dans un cylindre de rayon imposé, il suffit d'augmenter le champ B jusqu'à ce que le rayon R soit suffisamment petit pour que les électrons émis du pourtour de la BFFEA aient des trajectoires qui restent à l'intérieur du cylindre.

La grille à mailles GM laisse passer les électrons avec une transparence de l'ordre de 85%, c'est-à-dire qu'environ 15% des électrons sont refoulés. Les électrons passent dans la région B avec des vitesses très faibles et leurs trajectoires sont orientées presque totalement dans le plan (X, Y), c'est-à-dire qu'ils traversent les mailles de la grille de manière quasiment tangentielle. Vue de la région B, la grille à mailles est une surface d'où les électrons sortent avec des vitesses très faibles, elle joue le rôle qu'a la cathode chaude dans une triode de canon à électrons classique.

Pour que les électrons traversent la grille à mailles, le champ dans la région B est choisi suffisamment fort pour que localement dans chaque maille un peu du champ accélérateur de la région B pénètre dans la région A. Autrement dit, les électrons sont décélérés jusqu'à proximité de la maille, puis ils sont accélérés pour traverser la maille et continuent leur trajectoire dans la région B. Une petite partie des électrons arrivés de la région A approche la grille à mailles à l'aplomb d'un fil de maille et non pas à l'aplomb d'un trou de maille. Dans ce cas ils peuvent ne pas ressentir la pénétration locale du champ accélérateur de la région B, donc leur trajectoire vient tangenter le fil puis l'électron repart en arrière et est finalement collecté par la paroi ou par la grille de commande de la BF-FEA. Ceci n'est pas un inconvénient car seulement une petite partie du faisceau est ainsi perdue.

La région B a pour but de créer le point objet de la lentille principale ML. Il s'agit donc d'organiser le faisceau d'électrons. Pour cela, les électrons sont accélérés par un champ électrostatique au moyen d'au moins deux électrodes G1 et G2 percées chacune d'un trou central par lequel passe le faisceau d'électrons: - Une électrode G1 dont le potentiel est fixe et plus négatif que la grille à mailles.

- Une électrode G2 dont le potentiel est fixe et plus positif que la grille à mailles.

Ainsi G1, appelée Wehnelt, produit une convergence du faisceau. Les trajectoires des électrons se rapprochent de l'axe Z. G2 produit l'accélération du faisceau.

Les figures 3a à 3d représentent différentes variantes de réalisation du canon à électrons selon l'invention dans lesquelles la grille à mailles présente une forme convexe.

Dans la figure 3a la face convexe de la grille à mailles est tournée vers le réseau de cathode RK. Dans la figure 3b, la face convexe est tournée vers la grille G1.

La grille à mailles peut être située sensiblement selon le plan de la grille G1. Elle peut être même connectée à la grille G1. Les deux grilles G1 et GM sont alors portées à un même potentiel. La figure 3c représente une grille à mailles convexe, dont la face convexe est tournée vers le réseau de cathodes RK, et qui est connectée à la grille G1. La figure 3d représente une grille à mailles connectée à la grille G1 avec sa face convexe tournée vers la grille G2.

Les fonctionnements de ces différentes variantes produisent des résultats différents. Par exemple la variante de réalisation de la figure 3a fournit un mode de fonctionnement illustré par la figure 4a. Le faisceau d'électrons converge vers un point de croisement CR appelé "crossover". Ce mode de fonctionnement s'apparente à celui d'une triode.

La variante de réalisation de la figure 3c donne lieu au mode de fonctionnement de la figure 4b. Le faisceau d'électrons est convergé en formant un point de resserrement W des trajectoires des électrons sans qu'elles se croisent, appelé "waist". Ce mode de fonctionnement s'apparente à celui d'un canon de Pierce.

Les variantes de réalisation des figures 3b et 3d dans lesquelles la face convexe de la grille à mailles est tournée vers la grille G2 donnent lieu au mode de fonctionnement illustré par la figure 4c. Le faisceau d'électrons est divergé. Les trajectoires des électrons s'éloignent de l'axe Z. Avec un choix approprié des potentiels et des géométries de G1 et G2 combinés à ceux de la grille à mailles, on obtient l'effet suivant: les trajectoires à la sortie de la région B, autrement dit à l'endroit où les électrons sont injectés dans la lentille principale ML (ou éventuellement dans une lentille de préfocalisation qui précède la lentille principale), le faisceau d'électrons semble issue d'un point objet situé en arrière de la grille à mailles. Ce point est appelé COV (crossover virtuel).

On voit donc que dans la région A du canon à électrons de la figure 1, le faisceau d'électrons subit une décélération électrostatique combinée à une collimation magnétique, au moyen d'un champ électrostatique décélérateur superposé à un champ magnétique axial tel que les électrons parcourent des trajectoires hélicoïdales.

Ensuite, dans la région B, le faisceau d'électrons subit la formation d'un point objet pour la lentille principale ML soit par création d'un point de convergence du faisceau (point de crossover CR, soit par resserrement du faisceau (point W), soit par création d'un faisceau divergent provenant d'un point de crossover virtuel COV.

La grille à mailles laisse passer les électrons avec une transparence proche de 100%, par exemple 00 85%. Elle est par exemple réalisée par un réseau de fils maillés.

Les électrodes G1 et G2 sont similaires à celles 20 utilisées dans les canons à électrons connus.

Selon une forme de réalisation avantageuse de l'invention, la région A est entourée d'une paroi PR voir figure 5) permettant d'obtenir un champ électrostatique décélérateur. Cette paroi est par exemple une paroi cylindrique isolante, tel que du verre, recouverte d'une couche résistive CR. Des potentiels différents sont appliqués aux deux extrémités du cylindre pour obtenir, dans la zone A, un potentiel décroissant. Par exemple, une extrémité est portée au potentiel Vgl de la grille d'extraction g1 (100 volts selon l'exemple précédent) et l'autre extrémité est portée au potentiel VGM de la grille à mailles GM (soit 0 volt selon l'exemple précédent).

Un autre mode de réalisation consiste à réaliser sur une paroi cylindrique très isolante (en verre par exemple) un dépôt résistif ayant une forme de ruban hélicoïdal dont la largeur selon Z est petite devant la distance minimum qui existe entre ce ruban et le faisceau. Ainsi le faisceau ressent l'action du ruban quasiment comme si c'était un champ électrostatique uniforme en (X, Y) et aussi selon Z. L'invention trouve une application préférentielle dans le domaine des tubes à rayons cathodiques et notamment des tubes de télévision haute résolution d'image. L'invention est également applicable dans tout domaine nécessitant l'utilisation d'un faisceau fin d'électrons, c'est notamment le cas dans les équipements de microlithographie ou les équipements de soudure par faisceaux d'électrons.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Canon à électrons comprenant un réseau de cathodes froides (RK) et au moins un réseau de grilles d'extraction (g1) associé au réseau de cathodes, l'ensemble étant situé selon un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe (Z) du canon à électrons et étant destiné à émettre des électrons vers un système de grilles (Gl, G2) d'accélération et de focalisation servant de triode, caractérisé en ce qu'il comporte une grille à mailles (GM) située entre ladite grille d'extraction (gl) et ledit système de grille (G1, G2) ou bien selon le plan d'entrée dudit système de grilles, ainsi qu'un dispositif d'induction de champ magnétique (MG) induisant un champ magnétique colinéaire avec l'axe du canon à électrons dans la zone comprise entre ladite grille d'extraction (gl) et la grille à mailles (GM).

2. Canon à électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grille à mailles (GM) est destinée à être portée à un potentiel inférieur au potentiel de la grille d'extraction (gl), typiquement à un potentiel voisin de Ovolt, et en ce que ledit champ magnétique induit par le dispositif d'induction de champ magnétique est de même sens que le flux d'électrons émis par ledit réseau de cathodes.

3. Canon à électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite grille à mailles est de forme plane et son plan est perpendiculaire à l'axe du canon à électrons.

4. Canon à électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grille à mailles est de forme convexe et sa face convexe est tournée vers l'ensemble de grilles (G1, G2).

5. Canon à électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grille à mailles est de forme convexe et sa face convexe est tournée vers le réseau de cathodes (RK).

6. Canon à électrons selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit système de grilles d'accélération et de focalisation (G1, G2) comporte une première grille (G1) et une deuxième grille (G2) situées selon l'axe du canon à électrons, la première grille (G1) étant situées entre la grille d'extraction (g1) et la deuxième grille (G2), la grille à mailles étant portée à un potentiel inférieur à celui de la deuxième grille (G2), tandis que la première grille (G1) est portée à un potentiel inférieur à celui de la deuxième grille (G2)

7. Canon à électrons selon la revendication 6, caractérisé en ce que la grille à mailles est portée à un potentiel supérieur à celui de la première grille (G1).

8. Canon à électrons selon la revendication 6, caractérisé en ce que la grille à mailles est portée à un potentiel sensiblement égal à celui de la première grille (G1).

9. Canon à électrons selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone comprise entre le réseau de cathodes (RK) et la grille à mailles (GM) est entourée par au moins une paroi (PR) en matériau isolant, ladite paroi étant parallèle à l'axe (Z) du canon à électrons et sa face interne qui est dirigée vers ledit axe (Z) comportant une couche résistive (CR) dont une première extrémité située du côté du réseau de cathode est à un potentiel sensiblement égal à celui de la grille d'extraction (g1) et une deuxième extrémité située du côté de la grille à mailles est à un potentiel nettement inférieur.

10. Canon à électrons selon la revendication 9, caractérisé en ce que la première extrémité de la couche résistive (CR) est connectée à la grille d'extraction (g1) et la deuxième extrémité est connectée à la grille à mailles (GM).

11. Canon à électrons selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche résistive (CR) à la forme d'un ruban hélicoïdal qui entoure la zone comprise entre le réseau de cathodes (RK) et la grille à mailles (GM) .

12. Canon à électrons selon la revendication 9, caractérisé en ce que la paroi (PR) qui entoure la zone comprise entre le réseau de cathodes et la grille à mailles est en verre.